功率分流液压调速技术介绍及其基本特性分析.pdf

曩困圜T E C H N I C F O R U M 功率分流液压调速技术介绍及其基本特性分析 An a l y s i s a n d I n t r o d u c t i o n on Ch a r a c t e r i s t i c s o f P o we r Sp l it t i n g Hy d r a u l i c Sp e e d R e g u l a t i o n Sy s t e m 任国军王清 R E N Gu o - j u n e t a l 菏泽学院机电工程系 山东菏泽2 7 4 0 0 0 摘要 介绍 了功率分流液压调速系统的结构组成、工作 原理 ，通 过其调 速特性 分析 了系统在保持 液 力传动传统优势的同时具有较高工作效率 的特 点。相 比于 由液压泵和液压马达组成的普通液压调速 系 统 ，功率 分流液压调速系统有效的利用了液压传动与齿轮传动的优点 ，在传递大功率时可以保 持较 高 的传动效率。 关键词 液压功率分流调速车辆 Ab s t r a c t Th e p o we r s p l i t t i n g h y d r a ul i c s p e e d r e g ul a t i o n s y s t e m t a k e s a d v a n t a g e s o f t h e s t r o n g p o i n t o f h y d r a u l i c t r a ns m i s s i o n a n d g e a r tra n s mi s s i o n ．Co mpa r e d wi t h t h e o r d i n a r y h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n ，i t h a s h j e r e ffi c i e nc y i n a wi d e r o p e r a t i n g s p e e d s p e c t r u m． Th e s t ruc t u r e c o mpo n e n t s a n d wo r k i n g p r i n c i pl e s o f t h e s y s t e m we r e i n tro d u c e d i n t h e a r t i c l e ． Th e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s y s t e m we r e a n a l y z e d ， i t i s s h o wn t h a t t h e s y s t e m h a s a h i g h wo r k i n g e ffi c i e n c y wh i l e ma i n t a i n i n g t h e t r a d i t i o n a l a d v a n t a g e s of h y d r o d y n a mi c t r a n s mi s s i o n． Ke y wo r ds h y d r a ul i c ； p o we r s p l i t t i n g ； s p e e d r e g u l a t i o n ； v e h i c l e 中围分类号 U4 6 3 ． 2 ． 0 1 文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 0 0 3 ． 0 0 5 6 0 2 1 引言 由液压泵与液压马达组成的液压调速 系统在动力传输方面具有诸多优点 ，如对 负载平稳启动、可无级变速、可过载保护 及具有可观的节能效果等。但 由于传递动 力的增加 ，导致普通液压调速系统的容量 过大 ，使其传动效率在泵和马达中降低 ， 即使在最佳状态下传动效率 也只能达到 8 0 ％。由此出现 了把行星差动轮系与液压 调速装置组合起来的功率分流液压调速系 统 ，它是将液压与机械装置 “ 并联”，分 别传输功率流的传动系统 ，借助液压功率 流的可控性 ，使这两股功率流在重新汇合 时可无级调节总的输出转速。它既保持了 传统的可调式液力元件的传动特点，又改 善 了液力元件低速运行传动效 率低的缺 陷。 目前 ，世界最先进的工程机械制作公 司 ， 如 Ca t e r p i l l a r 、 F e n d t 、 C l a a s 、 J o h n d e e r e 和S t y e r 等公司均不断推出各自配备功 率分流无级传动的拖拉机系列，并随着控 制技术不断提高，其传动性能日臻完善。 国外在上世纪就 已有 了许 多成功的应用 ， 在国内技术发展还不是十分成熟 ，近些年 通过引进和借鉴国外技术 ，也开展了大量 的研究工作和应用。本文主要针对由单排 行星轮系与液压传动回路组成的最基本的 功率分流传动形式进行介绍和分析。 2 功率分流液压调速系统工作原理 功率分流液压调速系统主要由三部分 组成 液压 路、机械路和功率 分汇流机 构。根据行星齿轮系与液压马达组合的不 同，该系统有内功率分流和外功率分流两 种。常见的是外功率分流装置 ，其原理如 图1 所示。行星机构的太阳轮与输入轴连 接，行星架与输出轴相连 ，齿 圈通过齿轮 连 接 到液 压马 达上 ，液压 泵则 通过 齿 轮与 输入轴相连。发动机发出的功率由分流机 构 行星排或定轴齿轮分流 ，从液压路 和机械路并联传递 ，通过汇流机构 定轴 齿轮或行星 排合流共 同驱动 车辆。其 中 ，液压部分传递的功率是随变排量液压 元件与定排 量液压元件 的排 量 比值T N R g 的变 化连 续 可调 的 ，机械 部分 传 递的功率为阶跃式变化的。因为液压传动 支路只传递小部分功率 ，大部分功率流从 第一作者 任国军，男，1 9 7 7 年 生 ，讲 师，研 究方 向 液压 传 动控制技术 。 传动效率高的机械路传递 ，因而可以获得 较高的传动效率。 图 1功军 分魇液压 调透系 统工作原 理 3 功率分流液压调速 系统 的特性 3 ． 1无级调速特性分析 如 图1 所示 ，设此行星齿轮机构中太 阳轮与齿圈半径 之比为仅 ，则单排行星齿 轮机构一般运动规律的特性方程式为 6 [ 1九 2 2 d 十1 3 1 如果设输出轴速度比为i n ／ n ，齿圈 轴速度比 f ” ／ n ，，则上式可变为 ， 南1 ，_ 2 。 n 1 二 ， 由公式 2 可知通过液压传动可使齿圈 轴速度比 发生 可逆的变化，所以输出轴 速度比 a ／ 1 将以标准速度比为中心 进行变速 ，如图2 所示。 O I mi l t ／ ／ 图 2变 速 比 与 液 压 系 统 输 出 的 关 系 公式 2 反映了功率分流 液压调速系 统 的 无级 调 速特 性 。不 难 看 出 ，系 统工 作 时，仅有液压元件相对排量比 q J q ， 为 变量 ，调节 q J q 、 ， 即可得到一个连续变 化 的 传动 L L i 。 另外 ，由 图2 N 知 ，对 外 功 率 分 流传 动 系统 来 说 ，系 统传 动 比， 与 q J q ， 之间总是呈线性关系，因此在实 际应用中易于实现线性控制。 3 ． 2 功率分流比分析 把液压系统传递的功率与整个传递功 率的比设 为E -- M I 1 ／ Me n ，称 为功率分流 比。则由行星排的连接关系可得液压系统 功 率分 流 比 吲一 l I1 - 1 3 l十 l Z 、 公式 3 为分流传 动液压功率 分流 比 s 与系统传动 t L i 之间的关系。分析可知 a ． 当0 c 时 ，液压系统输出 为正值 ，系统处于液压机械分流传动状态； b ． 当e 0 i i 时 ，液压 输 出 为零 ， 全都输入功率由机械系统传递 ； C ． 当c 0 i i 时 ，则液压输 出为负 值 。此时机械装置输出比总输 出要大 ，其 多余的机械输 出用来驱动液压 马达 ，并 由 液压马达作用到泵上 ，使液压动力返回到 输入轴上 。也就是说 ，这时系统存在无用 的循环功率 ，在系统内部 引起 摩擦损失， 使系统传动效率降低 。 3 ． 3 系统效率分析 功率分流液压变速装置的传动效率 受 到液压传动系统性能和液压系统传递动 力 比例的影响。 由能量守恒定律可知 Ap △ 十△P i 4 式中，AP 、△ 和△尸 分别为传动系统总 功率损失、液压功率损失和机械功率损失。 当e 0 ，系统存在液压循环功率时 ， 有 △ P 音 1 Jp △ 1 一 ￡ P △ 1 一s 1一1 P 。 式中 ， ， 、 分别为系统总效率、机械 传动回路的效率和液压回路的效率 。 将以上三式代人公式 4 ，并化简可得 系统总效率为 一 1 1 5 一 一 叩 ，叩 ￡ 当0 s 1 时 ，系统不出现循环功率 ， △ 一 1 s J D ，系统总效率为 ， h 胛 “ _ 6 1 ，1 h 十 q| 一q ￡ 公式 5 、 6 反 映了功率分流 液压 调 速传动系统两种工况下的传动效率 ，分析 可 知，系统效率直接受机械 传动效率 、 液 压回路传 动效率 及分流 比s 三者所 影 响。当， ， ， 、 不变时 ，系统效率 随s 的成反 比变化。当e O 时 ，系统效率 最高，此时 ；若。 不变 ，液压传动效率 提高 ，系 统 效 率也 提高 ，反 之 亦然 。 图3 是文献【 6 冲 某车型的功率分流调 速系统效 率曲线 ，图中虚线为变量泵与定 量马达所组成液压 系统效率 。由此可以看 出，功率分流段效率明显高于纯液压段效 率 ，说明功率分流液压无级变速传动具有 高效率特性 ，并且恰当的选择液压功率分 流 比可避 免循环功率的出现 ，提高传动系 统 效 率 。 速 } 匕， 图3 功率 分流 液压调 速 系统效 率曲线 4 结束语 a ． 功率分流液压调速系统是一种液压 功率流与机械功率流并联的传动形式，本 文所讨论的单排行星轮系与液压传动回路 组成的复合传动是最基本的功率分流传动 形式，是组成各种液压机械复合传动的基 础 。 b ． 液压功率 分流 比s 的大小反映 了系 T E C H N I C F O R U M ■霉圜 统功率流状态 ，恰 当的液压功率分流比可 提高传动系统效率。 C ． 本文给出的速 比与变量泵和定量马 达排量比、液压功率分流比、传动效率的 关系式 ，可为该类传动装置传动方案的确 定、参数匹配和性能分析提供一定 的理论 依 据 。 参考文献 [ 1 ] 董泳， 闰国军同 绪强． 多级液力变速传动装置的工 作 特 性 与 功 率 分 流 原 理 分 析 [ J ] ． 机 床 与 液 压 ，2 0 0 8 1 0 6 3 6 6 ． [ 2 ] 杜玖玉， 苑士华， 魏超等． 双模式液压机 械传动工作 特性分析[ J l _农业工程学报 2 0 0 9 2 5 4 8 6 8 9 [ 3 ] 姚怀 新． 工程 车辆液 压动力学 与控制 原理【 M】北 京人 民交通 出版社， 2 0 0 6 1 O ． [ 4 ] 郭京波， 赖涤泉， 高国生 液压机械复合 传动的分流 比与传动特性 分析 [ J 1 l 建筑机械， 1 9 9 7 1 0 3 8 41 ． [ 5 ] 夏海南， 葛建人， 陈明宏． 液压机械传动在工程机械 上的应用 I J _ ． 工程机械，2 0 0 0 3 1 7 - 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